(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の陽極及び陰極にそれぞれ備えられた電極触媒層と、前記電極触媒層のそれぞれに備えられ、反応ガスを供給するとともに、前記電極触媒層において発電された電力を集電するガス拡散層と、によって構成される電極接合体と、
前記ガス拡散層のそれぞれの外側に、反応ガスの通路であるガス流路を形成するセパレータと、
を備え、前記電極接合体を前記セパレータにより挟持した単セルを交互に積層した燃料電池において、
前記セパレータは、前記ガス流路に反応ガスを供給するガス供給口と、反応後の反応ガスを排出するガス排出口と、を備え、
前記ガス流路は、
反応ガスが排出される系と連通し、反応ガスを供給する系と連通しない第１流路と、
反応ガスが供給される系と連通し、反応ガスを排出する系と連通しない第２流路と、を備え、
前記第２流路は、前記電極接合体と接する部分に複数の連通孔を備え、前記連通孔の開口面積は、前記第１流路と前記電極接合体とが接する部分の開口面積と比較して小さくし、
前記ガス流路を形成する領域と前記ガス供給口との間の領域に、電極接合体及びガス流路からなる反応領域を備え、前記反応領域を通過した反応ガスを前記第２流路へと供給し、
前記反応領域は、反応ガスの流路を有しないリブと、前記リブによって隔てられ、前記第２流路と連通する反応領域流路と、によって構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
電解質膜の陽極及び陰極にそれぞれ備えられた電極触媒層と、前記電極触媒層のそれぞれに備えられ、反応ガスを供給するとともに、前記電極触媒層において発電された電力を集電するガス拡散層と、によって構成される電極接合体と、
前記ガス拡散層のそれぞれの外側に、反応ガスの通路であるガス流路を形成するセパレータと、
を備え、前記電極接合体を前記セパレータにより挟持した単セルを交互に積層した燃料電池において、
前記セパレータは、前記ガス流路に反応ガスを供給するガス供給口と、反応後の反応ガスを排出するガス排出口と、を備え、
前記ガス流路は、
反応ガスが排出される系と連通し、反応ガスを供給する系と連通しない第１流路と、
反応ガスが供給される系と連通し、反応ガスを排出する系と連通しない第２流路と、を備え、
前記第２流路は、前記電極接合体と接する部分に複数の連通孔を備え、前記連通孔の開口面積は、前記第１流路と前記電極接合体とが接する部分の開口面積と比較して小さくし、
前記第２流路の反応ガスを排出する系に近接した部分に、前記第２流路を連通し、前記第２流路の開口高さよりも小さな開口高さを有する第１排出流路を備え、
前記第１排出流路の少なくとも一方の端部から、前記ガス排出口へと連通する第２排出流路を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
前記セパレータに、冷却水の供給口と排出口を備えた冷却水の流路を構成し、
前記第２流路の反応ガスを排出する系に近接した部分、前記第１排出流路、及び、前記第２排出流路は、前記冷却水を排出する系に近接して設けられることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
電解質膜の陽極及び陰極にそれぞれ備えられた電極触媒層と、前記電極触媒層のそれぞれに備えられ、反応ガスを供給するとともに、前記電極触媒層において発電された電力を集電するガス拡散層と、によって構成される電極接合体と、
前記ガス拡散層のそれぞれの外側に、反応ガスの通路であるガス流路を形成するセパレータと、
を備え、前記電極接合体を前記セパレータにより挟持した単セルを交互に積層した燃料電池において、
前記セパレータは、前記ガス流路に反応ガスを供給するガス供給口と、反応後の反応ガスを排出するガス排出口と、を備え、
前記ガス流路は、
反応ガスが排出される系と連通し、反応ガスを供給する系と連通しない第１流路と、
反応ガスが供給される系と連通し、反応ガスを排出する系と連通しない第２流路と、を備え、
前記第２流路は、前記電極接合体と接する部分に複数の連通孔を備え、前記連通孔の開口面積は、前記第１流路と前記電極接合体とが接する部分の開口面積と比較して小さくし、
前記セパレータは、前記ガス流路を形成する第１プレートであり、前記単セル間を隔てる第２プレートを備え、
前記電極複合体と、前記第１プレートとによって囲まれた空間が前記１流路を構成し、前記第１プレートと前記第２プレートとによって囲まれた空間が、前記陽極側又は前記陰極側の一方で前記第２流路を構成し、他方で冷却水の流路を構成し、
前記冷却水の流路を前記連通孔に対して前記電解質膜を介して対向して配置することを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に、酸化剤ガスの酸素分圧を均一にして、発電効率を向上することができる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガス及び酸化剤ガスを電極触媒層において効率よく反応させるために、陽極側及び陰極側にガスの流路溝を設けている。
【０００３】
このような燃料電池は、電極触媒層の陰極側にセパレータにより形成されたガス流路溝を、酸化剤ガス入口穴と連通する上流部と、酸化剤ガス出口穴と連通する下流部とに分離させる。これにより、燃料電池に供給される酸化剤ガスが、上流部から拡散層を経由して下流部に流れる。そして、スリットを有する板部を、拡散層と空気極触媒層側のセパレータとの間に、上流部の中心に対向する位置に配置する。このスリットは、上流部の幅よりも開口幅が狭く形成され、上流部の断面積を、一般的な燃料電池と同様に、発電に必要な量の空気を流すことができる大きさとする（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−１９０９８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載のような構造では、酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガス（例えば空気）は、スリットの面積分だけガス拡散層に面しているため、この面積分の酸素が反応に用いられ、空気流路の下流ほど酸素濃度が低下し、ガス拡散層へ供給される酸素濃度が次第に低下する。
【０００５】
また、ガス拡散層に流れる流路方向の分布は、酸化剤ガス供給側流路のスリットを通過する圧損、ガス拡散層を流れる圧損、酸化剤ガス排出側流路のスリットを通過する圧損の変化に依存する。このため、燃料ガスの排出側流路のスリットがガス拡散層により排出された生成水によって閉塞されると、閉塞部分の圧損が増大し、この領域の酸化剤ガスの流量は低下してしまう。そのため、別の閉塞していない位置の酸化剤ガス流量が増大し、拡散層各部への均一な酸化剤ガスの供給ができなくなる。
【０００６】
また、特許文献１に記載のような構造では、酸化剤ガス排出側のスリットと繋がる流路に雨樋のような構成として、生成水を排出しているが、酸化剤ガス排出側流路の上流が下に位置するように設置したり、燃料電池が車輌のような移動体に設置され、流れ方向でない加速度が与えられた場合には、雨樋の効果が得られず、生成水による閉塞が発生してしまう。
【０００７】
すなわち、特許文献１に記載の従来の燃料電池では、ガス拡散層に流れる流路方向の圧損は、酸化剤ガス供給側流路のスリットを通過する圧損、ガス拡散層を流れる圧損、酸化剤ガス排出側流路のスリットを通過する圧損の合計となるため、セルの入口から出口までの全体圧損値を一定とした場合に、酸化剤ガス供給側流路のスリットの圧損を大きく設定することが難しく、これにより反応ガスを供給する流路内の流れ方向の酸化剤ガスの分布を均一にすることができない。
【０００８】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、燃料電池における反応ガスの圧損による反応ガスの分布の不均一を低減することによって反応ガスの分圧を均一にして、発電効率を向上できる燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一実施態様によると、電解質膜の陽極及び陰極にそれぞれ備えられた電極触媒層と、前記電極触媒層のそれぞれに備えられ、反応ガスを供給するとともに、前記電極触媒層において発電された電力を集電するガス拡散層と、によって構成される電極接合体と、ガス拡散層のそれぞれの外側に、反応ガスの通路であるガス流路を形成するセパレータと、を備え、電極接合体をセパレータにより狭持した単セルを交互に積層した燃料電池において、セパレータは、ガス流路に反応ガスを供給するガス供給口と、反応後の反応ガスを排出するガス排出口と、を備え、ガス流路は、反応ガスが排出される系と連通し、反応ガスを供給する系と連通しない第１流路と、反応ガスが供給される系と連通し、反応ガスを排出する系と連通しない第２流路と、を備え、第２流路は、電極接合体と接する部分に連通孔（例えば、略円形の孔を所定間隔で配置する）を備え、連通孔の開口面積を、第１流路と電極接合体とが接する部分の開口面積と比較して小さくし、ガス流路を形成する領域とガス供給口との間の領域に、電極接合体及びガス流路からなる反応領域を備え、反応領域を通過した反応ガスを第２流路へと供給し、反応領域は、反応ガスの流路を有しないリブと、リブによって隔てられ、第２流路と連通する反応領域流路と、によって構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によると、第２流路の連通孔を第１流路の開口面積と比較して小さくしたので、連通孔を通過する際の圧力損失が比較的大きくなり、この圧損は温度変化等の影響を受けにくいので、ガス拡散層内部の反応ガスの反応ガスの分布を均一にすることができ、反応ガスの分圧均一にすることができる。これにより、燃料電池の発電効率を向上することができる。さらに、反応領域において反応により生成水が発生する。この生成水を含んだ反応ガスが、その下流の第２流路へと流れるので、供給される反応ガスの相対湿度を上昇させることができる。これにより、電解質膜の乾燥を防止することができるので、セル全体の発電効率を向上することができる。さらに、反応領域流路は、ガスの流れが直線流路となるため、反応領域での圧損が小さくなる。さらに、反応領域流路から第２流路へとガスが直線的に流入するので、第２流路内へのガスの流れに圧力分布の偏りができることが抑制される。従って、複数ある連通孔からガス拡散層への酸化剤ガスの供給量を均一化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１２】
燃料電池は、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置である。燃料電池のうち固体高分子型と呼ばれる燃料電池は、電解質膜を挟んで設けられた一対の陽極及び陰極の電極触媒層を備える。この電極触媒層の陽極に水素を含有する燃料ガスを供給し、陰極に酸素を含有する酸素剤ガスを供給することによって、これら一対の電極触媒層で生じる電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すことができる。なお、陽極及び陰極に備えられる触媒には、一般的に白金等の金属が用いられる。
【００１３】
一般的に、燃料ガスには水素を含有するガスが用いられ、陰極に供給する酸素剤ガスには空気が用いられる。
【００１４】
一般的な固体高分子型の燃料電池は、前述のように電解質膜を挟んで設けられた一対の電極触媒層を備えている。そして、表面に溝をもつ板材（セパレータ）によってこの電極触媒層を狭持し単セル９０を構成する。
【００１５】
この溝は、一方が反応ガスの供給側に連通し、他方は閉塞している。すなわち、この溝と電極触媒層とによって構成される空間が、反応ガスの流路となる。また、反応ガスの流路は、陽極側（カソード側）と、陰極側（アノード側）とで独立して構成され、電極触媒層を挟んだ両極に、それぞれ酸化剤ガスと燃料ガスとが供給されるように構成されている。また、反応が済んだガスは排出口に排出される。
【００１６】
また、セパレータには、燃料電池を適切な反応温度とするための冷却水の流路が、反応ガス流路とは独立して構成されている。
【００１７】
なお、一般的に、セパレータと電極触媒層の間には、ＧＤＬ（Ｇａｓ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｌａｙｅｒ：ガス拡散層）と呼ばれる導電性の多孔体が設けられる。このＧＤＬは、電極触媒層への反応ガスの供給と、電極触媒層によって発生した電力の集電とを同時に行う目的で設けられる。
【００１８】
以下の実施例は、カソード側に本発明を適応した場合について説明する。
＜第１実施例＞
図１、図２及び図３は、本発明の第１実施例の燃料電池のセルの構成を示す説明図である。
【００１９】
なお、図１はセルの上面図を示し、図２はセルのＡ−Ａ断面図を示し、図３はセルのＢ−Ｂ断面図及びＣ−Ｃ断面図を示す。
【００２０】
セルを構成するセパレータ１は、アノード吸気口１０、アノード排気口１１、カソード吸気口２０、カソード排気口２１、冷却水供給口３０及び冷却水排出口３１を備える。
【００２１】
また、セパレータ１に形成される、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却水の各流路は、図２に示すように、平板形状を有する導電性のプレート５０と、プレート５０とは別体の波形形状を有する導電性のプレート６０とを接着又は溶接することによって形成される。
【００２２】
また、図２に示すように、本実施例の燃料電池は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｒｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電極接合体）７０と、プレート５０と、プレート６０とが交互に積層されて構成される。これによって、一端が反応ガスの供給系に連通し他端が閉塞しているガス流路と、一端が反応ガスの排出系に連通し他端が閉塞しているガス流路と、が交互に配された構成（Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ（ＩＤ）構造）が形成される。
【００２３】
すなわち、ＭＥＡ７０の表面に設けられたＧＤＬ７２とプレート６０の断面波形形状の一部とが接触し、プレート５０とプレート６０の断面波形形状の別の一部とが接触する。
【００２４】
ＭＥＡ７０は、電解質膜７１のアノード極及びカソード極のそれぞれに電極触媒層７３を備える。また、電極触媒層７３のアノード側及びカソード側のそれぞれにＧＤＬ７２を備える。
【００２５】
また、この図２に示すように、プレート６０は断面が波形形状となっている。そして、この波形形状の凹部及び凸部と、ＭＥＡ７０と、平板状のプレート５０とによって囲まれる空間が、ガス流路及び冷却水流路を構成する。
【００２６】
具体的には、ＭＥＡ７０と、プレート６０の断面凹部（プレート５０に向かって略コの字形状に窪んでいる部分）とによって囲まれる空間が、酸化剤ガスの排気側となる第１流路２２を構成する。
【００２７】
また、ＭＥＡ７０と、プレート６０の断面凸部（プレート５０から離れて略コの字形状に隆起している部分）とによって囲まれる空間が、酸化剤ガスの供給側となる第２流路２３を構成する。
【００２８】
また、第１流路２２を構成する部分と対向する部分であって、プレート６０の断面凹部とＭＥＡ７０とによって囲まれる空間が、燃料ガスの供給側及び排気側となる第３流路１２を構成する。
【００２９】
また、第２流路２３を構成する部分と対向する部分であって、プレート６０の断面凸部とプレート５０とによって囲まれる空間が、冷却水の流路となる冷却水流路３２を構成する。
【００３０】
なお、第２流路２３には、ＭＥＡ７０のＧＤＬ７２から第２流路２３へと連通する連通孔２４が設けられている。
【００３１】
図１に示すように、この連通孔２４は、セルの流路の上流から下流に均一に分布するように、略円形の孔部として所定の間隔をもって設けられる。なお、ＭＥＡ７０は、この連通孔２４の全てを塞ぐように設けられる。すなわち、ＭＥＡ７０のＧＤＬ７２は、各連通孔２４に接触する。
【００３２】
なお、図２に示すように、本実施例では、第２流路２３の連通孔２４の開口寸法Ｌ２は、第１流路の開口寸法Ｌ１よりも小さく構成することを特徴とする。
【００３３】
第１流路２２は、カソード吸気口２０とは連通せず、カソード排気口２１とのみ連通するように構成される。また、第２流路２３は、カソード吸気口２０と連通しているが、カソード排気口２１とは連通しないように構成される。
【００３４】
より具体的には、セルの下流側、すなわち、各流路の下流端は、図３（Ａ）に示すＢ−Ｂ断面図のように、第１流路２２のみが開口され、第２流路２３は閉塞されている。このプレート５０及びプレート６０の下流端と、カソード排気口２１との間には、各第１流路２２から排気される酸化剤ガスを集めて、カソード排気口２１へと導くためのディフューザ部２７が設けられている。
【００３５】
このディフューザ部２７は、第１流路２２の開口高さよりも若干小さい開口高さに構成されている。各第１流路２２はディフューザ部２７において連通しているが、この連通部分の流路が急激に拡大するとガスの圧力が急変するため、これによる圧損が発生する。これを防ぐために、ディフューザ部２７は、各第１流路２２の開口面積の合計と同じ又は若干小さくする（開口高さを小さくする）。
【００３６】
さらに、この構成により、ディフューザ部２７において、カソードガス流路のためのディフューザ部と、冷却水流路のためのディフューザ部が混在させても、セパレータ１の高さ方向への拡大を抑えることができ、燃料電池を小型化することができる。
【００３７】
なお、この下流側のディフューザ部２７には、後述するように、第２流路２３からの生成水を排出するための排出流路２５、排出流路２６及び開口部２８が設けられている。
【００３８】
また、セルの上流側、すなわち、プレート５０及びプレート６０の上流端にも、図３（Ｂ）に示すＣ−Ｃ断面図のように、第２流路２３のみが開口され、第１流路２２は閉塞されている。このプレート５０及びプレート６０の上流端と、カソード吸気口２０との間には、カソード吸気口２０から供給される酸化剤ガスを各第２流路２３へと導くためのディフューザ部２７が設けられている。
【００３９】
カソード吸気口２０から供給される酸化剤ガスは、ディフューザ部２７から第２流路２３へと導かれる。この酸化剤ガスは、第２流路２３の連通孔２４からＭＥＡ７０の陽極側のＧＤＬ７２へと流れる。一方、アノード吸気口１０から供給された燃料ガスは、同様の構造によって供給側の第３流路１２からＭＥＡ７０の陰極側のＧＤＬ７２へと流れる。これらのガスの反応によって発電が行われる。
【００４０】
反応が終わった酸化剤ガスは、ＧＤＬ７２から第１流路２２へと流れ、ディフューザ部２７からカソード排気口２１へと排出される。また、反応が終わった燃料ガスは、ＧＤＬ７２から排気側の第３流路１２を経由して、アノード排気口１１へと排出される。
【００４１】
次に、下流側（酸化剤ガス排気側）のディフューザ部２７の構造について説明する。
【００４２】
図４、図５及び図６は、本発明の第１実施例の下流側のディフューザ部２７の説明図である。
【００４３】
なお、図４はセルの下流側要部の上面図を示し、図５はＡ−Ａ断面図をＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図、Ｃ−Ｃ断面図及びＤ−Ｄ断面図を示し、図６は冷却水の流れる様子を示す。
【００４４】
第２流路２３の下流端は、各第２流路２３を連通する排出流路２５が設けられる。この排出流路２５は、その開口断面が、ディフューザ部２７の高さと略同一となるように構成される（図５（Ｂ）参照）。
【００４５】
すなわち、第１流路２２の下流端の開口面積は、ディフューザ部２７によって高さ方向に縮小されている。このディフューザ部２７による高さ方向の縮小の開始部分が、排出流路２５によって構成されているのである。
【００４６】
すなわち、図５（Ｃ）に示すように、排出流路２５が形成される下流端の手前では、第１流路２２は、ディフューザ部２７の高さと略同一の開口形状となる。第２流路２３は、この排出流路により連通している。
【００４７】
そして、図５（Ｄ）に示すように、排出流路２５が形成される下流端の、ディフューザ部２７と接する部分では、第１流路２２は、ディフューザ部２７の高さと略同一の開口形状となる。第２流路２３は、排出流路２５を形成する壁部により閉塞している。
【００４８】
排出流路２５は、その左右端部のそれぞれに、カソード排気口２１へと連通する排出流路２６が設けられる。
【００４９】
排出流路２６は、ディフューザ部２７の外周部を経由してカソード排気口２１へと連通する。この連通部分には開口部２８が備えられる（図５（Ａ）参照）。
【００５０】
なお、この排出流路２６は、排出流路２５の左右端部のいずれか一方のみに設けられていてもよい。
【００５１】
このように下流側のディフューザ部２７を構成することによって、各第２流路２３において発生した生成水又はコンタミ成分は、第２流路２３を流れる酸化剤ガスの圧力によって排出流路２５へと集められる。この生成水等は、さらに、排出流路２６を経て開口部２８からカソード排気口２１へと排出される。なお、開口部２８は、生成水又はコンタミ成分によって閉塞しないように、その開口断面積が適切に選定される。
【００５２】
なお、排出流路２５、２６を通過する生成水は、閉塞を防ぐために凝縮していないことが望ましい。そのため、図６に示すように、冷却水排出口３１は、発電により発生する熱によって加熱された冷却水によりディフューザ部２７を加熱するように構成される。すなわち、冷却水排出口３１は、カソード排気口２１の開口部よりもさらに下流側に設けられる。これにより、冷却水の熱によってディフューザ部２７が加熱され、冷却水の凝縮が抑えられる。開口部２８では、カソード排気口の酸化剤ガスにより若干温度が下がり生成水が凝縮するので、生成水が液滴として排出される。
【００５３】
以上のように構成した第１実施例によって、次のような効果を得ることができる。
【００５４】
各セルに供給される酸化剤ガスは、カソード吸気口２０を介してセル内の第２流路２３に流入する。酸化剤ガスは、第２流路２３に設けられた複数の連通孔２４を介して、ＭＥＡ７０のＧＤＬ７２へと供給される。
【００５５】
ここで、前述のように、第２流路２３の連通孔の開口寸法Ｌ２は、酸化剤ガスの排出側である第１流路２２の開口寸法Ｌ１に対して小さく構成する。このようにすることによって、この連通孔２４の絞りによる圧力損失が発生する。この圧力損失は、第２流路２３から第１流路２２へと流れる酸化剤ガスの圧力損失のうち大きな割合を占める。従って、複数の連通孔２４を第２流路２３に適切に配置することによってＭＥＡ７０の反応面全面への圧力損失を適切に制御することができる。すなわち、この圧力損失を制御することにより、ＧＤＬ７２に供給される酸化剤ガスの圧力が均等となるようにすることができる。
【００５６】
また、第２流路２３の連通孔２４の面積は、第１流路２２の面積よりも小さいので、連通孔２４付近でのＭＥＡ７０における反応による酸素消費量は、第１流路２２付近での酸素消費量よりも小さい。そのため、連通孔２４から第１流路２２の開口部に至るＧＤＬ７２内では、酸素が徐々に消費される。従って、ＧＤＬ７２内での酸素濃度をほぼ一定にすることができる。
【００５７】
また、第２流路２３の下流端においては、生成水を排出するため、第２流路２３の下流端を連通する排出流路２５、ディフューザ部２７の外周を経由する排出流路２６及びカソード排気口２１へと開口する開口部２８を備えた。
【００５８】
各第２流路２３を連通する排出流路２５は、ディフューザ部２７の高さと同じ流路高さとしたので、第１流路２２における酸化剤ガスの流れを邪魔することなく生成水を排出する構成を備えることができる。
【００５９】
また、第２流路２３内には、連通孔２４から反応により生成された水分が拡散する。第２流路２３の下流端部は、排出流路２５及び排出流路２６を経由して、液滴が流れる程度のサイズである開口部２８からカソード排気口２１に開放されている。そのため、第２流路２３に水分が蓄積することにより連通孔２４の閉塞が発生して反応を阻害することを防止できる。
【００６０】
なお、第２流路２３の上流側を鉛直方向上側に、排出流路２６を鉛直方向下側に配置すると、重力によってよりスムースに第２流路２３内の液滴を排出することができる。このような構成とすることが、生成水の排出にはより好適である。
【００６１】
このように、狭径の排出流路２５及び排出流路２６を設けることによって、排出流路２５及び排出流路２６において酸化剤ガスに圧力損失を付与するので、単に第２流路２３の各流路端に開放孔を設ける場合と比較すると、第２流路２３からＭＥＡ７０を経由して第１流路２２に流れずに、この開放孔へと流出する酸化剤ガスを最小限にすることができる。すなわち、第２流路２３と第１流路２２との酸化剤ガスの圧力差を確保することができるので、前述のように連通孔２４の絞り構造による酸素濃度の均一化が可能となる。
【００６２】
また、冷却水の出口である冷却水排出口３１は、よりカソード排気口２１側（より下流側）に設けた。冷却水は、燃料電池の反応に伴う熱を吸熱するため、冷却水の温度は下流側ほど上昇する。そのため、酸素の消費によりガス流量が小さくなり凝縮水が発生し易い第２流路２３の下流側では、より高温となった冷却水が作用する。これによって、生成水は気体のまま凝縮されにくくなるので、排出流路２５、２６の流路径を小さく抑えることができる。これにより、第２流路２３から第１流路２２へと流れず、排出流路２５へと流出するガスの流量を最小限に抑えることができる。
【００６３】
なお、これら第１流路２２、第２流路２３、連通孔２４は、平面形状のプレート５０及び波形形状のプレート６０によって構成されていたが、例えばカーボン材料を加工（切削、圧延等）することによっても同様の形状としてもよい。
＜第２実施例＞
次に第２の実施例について説明する。
【００６４】
本発明の第２の実施例の基本構成は、図１で前述した第１の実施例と同一である。そして、第１流路２２及び第２流路２３のさらに上流側に反応領域８０を設けたことが特徴である。なお、第１実施例と共通の構成は同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００６５】
図７及び８は、本発明の第２実施例の燃料電池のセルの説明図である。
【００６６】
図７に示すように、前述のガス流路である第２流路２３の上流側のディフューザ部を、反応領域８０とする。
【００６７】
この反応領域８０は、要所にボス８１を設ける。図７に示す例では、ボス８１は千鳥状に配設されている。このボス８１とボス８１との空隙を、カソード吸気口２０から供給された酸化剤ガスが流れる。そして、この反応領域８０に対応するように、ＭＥＡ７０を設ける。
【００６８】
また、アノード側では、図８に示すように、波形形状のプレート６０を、この反応領域８０に対応するように設ける。すなわち、第３流路１２及び冷却水流路３２を形成するプレート６０を、反応領域８０に対応するように延設する。これにより、プレートとＭＥＡ７０とによって囲まれた空間がアノードガスの流路である第３流路１２が反応領域８０まで延設される。この第３流路１２に、アノード吸気口１０から供給された燃料ガスが供給される。
【００６９】
前述のように、第１実施例では、第２流路２３の連通孔２４を小さくして圧損を発生させるので、酸化剤ガスの流速が上がる。そのため、ＭＥＡ７０のＧＤＬ７２の底面まで酸化剤ガスが到達する。この場合、供給される酸化剤ガスの相対湿度が低い場合は、ＭＥＡ７０のより内部まで乾燥に晒されてしまい、ＭＥＡ７０を構成する電解質膜のプロトン移動速度が低下してしまう。
【００７０】
これに対して、第２実施例では、第１流路２２及び第２流路２３を含む領域のさらに上流に反応領域８０を設けた。このようにすることによって、この反応領域８０において反応によりで生成水が発生する。この生成水を含んだ酸化剤ガスが、その下流の第２流路２３へと流れるので、供給される酸化剤ガスの相対湿度を上昇させることができる。これにより、連通孔２４に対峙するＭＥＡ７０の乾燥を防止することができるので、セル全体の発電効率を向上することができる。
＜第３実施例＞
次に第３の実施例について説明する。
【００７１】
本発明の第３の実施例の基本構成は、図１で前述した第１の実施例と同一である。そして、第１流路２２及び第２流路２３のさらに上流側に反応領域８０を設けたことが特徴である。なお、第１実施例及び第２実施例と共通の構成は同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００７２】
図９は、本発明の第３実施例の燃料電池のセルの説明図である。
【００７３】
図９に示すように、前述のガス流路である第１流路２２の上流側のディフューザ部を反応領域８０として設ける。
【００７４】
この反応領域８０は、要所にリブ８２を設ける。このリブ８２とリブ８２との間が流路２９を形成する。この流路２９の下流側は、第２流路２３に連通するように構成される。すなわち、リブ８２を流れる酸化剤ガスの流線が第２流路２３へと繋がるように、リブ８２と第２流路２３とが同一のピッチで配置される。従って、リブ８２の直下流に第１流路２２が形成され、流路２９の直下流に第２流路２３が形成される。
【００７５】
このように、本発明の第３実施例では、第２実施例と同様に、反応領域８０において反応によりで発生した生成水がその下流の第２流路２３へと流れるので、供給される酸化剤ガスの相対湿度を上昇させることができる。これにより、連通孔２４に対峙するＭＥＡ７０の乾燥を防止することができるので、セル全体の発電効率を向上することができる。
【００７６】
さらに、第３の実施例では、流路２９は、ガスの流れが直線流路となるため、反応領域８０での圧損が第２実施例に対して小さくなる。さらに、流路２９から第２流路２３へとガスが直線的に流入するので、第２流路内へのガスの流れに圧力分布の偏りができることが抑制される。従って、複数ある連通孔２４からガス拡散層への酸化剤ガスの供給量を均一化することができる。
【００７７】
なお、前述した実施例１から３では、カソード側に本発明を適応した場合を説明したが、アノード側に本発明を適応した場合においても、同様の効果を得ることができる。
【００７８】
ここで、燃料電池を起動する際、アノードに水素、カソードに空気を供給することになるが、アノード側の燃料ガス流路が十分に水素で満たされていない状態、すなわち燃料ガス流路に水素と空気が混在する状態ではアノード内で電位差が生じる。これに起因してカソード側の電解質膜７１上で炭素と水が反応して炭素腐食が発生する。しかしながら、本発明をアノード側に適応すると、水素の流速を上げることができるので、水素と空気が混在する時間を短くでき、この炭素腐食によるＭＥＡ７０の劣化を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の第１の実施例の燃料電池のセルの説明図である。
【図２】本発明の第１の実施例の燃料電池のセルのＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明の第１の実施例の燃料電池のセルのＢ−Ｂ断面図及びＣ−Ｃ断面図である。
【図４】本発明の第１の実施例の燃料電池のセルの排気側の説明図である。
【図５】本発明の第１の実施例の燃料電池のセルの排気側のＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図、Ｃ−Ｃ断面図及びＤ−Ｄ断面図である。
【図６】本発明の第１の実施例の燃料電池のセルの冷却水流路の説明図である。
【図７】本発明の第２の実施例の燃料電池のセルの説明図である。
【図８】本発明の第２の実施例の燃料電池のセルのＡ−Ａ断面図である。
【図９】本発明の第３の実施例の燃料電池のセルの説明図である。
【符号の説明】
【００８０】
１  セパレータ
１０  アノード吸気口
１１  アノード排気口
１２  第３流路
２０  カソード吸気口
２１  カソード排気口
２２  第１流路
２３  第２流路
２４  連通孔
２５、２６排出流路
２７  ディフューザ部
２８  開口部
３０  冷却水供給口
３１  冷却水排出口
３２  冷却水流路
５０、６０プレート
７０  ＭＥＡ（電極接合体）
７１  電解質膜
７２  ＧＤＬ（ガス拡散層）
８０  反応領域
８１  ボス
８２  リブ
９０  単セル
【図１】
0005245315.tif 000002
【図４】
0005245315.tif 000003
【図６】
0005245315.tif 000004
【図７】
0005245315.tif 000005
【図２】
0005245315.tif 000006
【図３】
0005245315.tif 000007
【図５】
0005245315.tif 000008
【図８】
0005245315.tif 000009
【図９】
0005245315.tif 000010